پایان نامه بررسی عملکرد آب گرم کن خورشیدی با کلکتور صفحه تخت

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc مهندسی مکانیک - تبدیل انرژی عنوان : بررسی تئوری و تجربی عملکرد یک آب گرم کن خورشیدی با کلکتور صفحه تخت (تحت حمایت شرکت بهینه سازی مصرف سوخت کشور)

چکیده:

هدف از این تحقیق مقایسه تحلیل تئوری و نتایج تجربی حاصل از تست عملی بر روی یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت، با توجه به شرایط آب و هوایی شهر تهران می باشد. به این منظور ابتدا یک کلکتور صفحه تخت از نظر ساختمان، بازده و سایر پارامترها بر طبق روابط انتقال حرارت به صورت تئوری مدل شده، پس از آن با استفاده از یک سیستم آب گرم کن خورشیدی و استفاده از یک کلکتور صفحه تخت به عنوان جاذب انرژی خورشید، داده های مورد نیاز به طور تجربی استخراج شده اند.

سیستم آب گرم کن خورشیدی مورد آزمایش که در مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب مستقر است، و بر اساس استاندارد ISO 9806-1 مدل شده است، از یک کلکتور صفحه تخت و یک مخزن ذخیره تشکیل شده است. کلکتور شامل دو هدر افقی به قطر داخلی mm12 و 12 عدد رایزر عمودی می باشد که به صورت موازی قرار گرفته اند. صفحات جاذب از فین های مجزا تشکیل شده اند. جنس فین ها از آلومینیوم بوده و از شیشه معمولی به ضخامت mm4 به عنوان پوشش صفحه جاذب برای جلوگیری از اتلافات جابجایی و تابشی استفاده شده است. از آن جایی که آزمون ها در فصل تابستان انجام شده است و دمای هوا در هنگام شب به گونه ای نیست که باعث یخ زدگی آب داخل کلکتور شود، به این جهت تنها از آب (بدون ضد یخ) به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده شده است. هم چنین دمای محیط، میزان تابش روی سطح کلکتور صفحه تخت و سرعت باد محوطه مورد آزمایش توسط یک دستگاه ثبت کننده اطلاعات ثبت شده اند.

بازده و انرژی مفید کسب شده توسط کلکتور به صورت تجربی با مقادیر حاصل از مدل تئوری مقایسه شده و بر طبق نتایج به دست آمده مدل تجربی با مدل تئوری مطابقت خوبی دارد. آزمایشات فوق با دبی های مختلف انجام گرفت و با کاهش دبی سیال عبوری از کلکتور، افزایش در انرژی مفید کسب شده و بازده کلکتور مشاهده گردید. بر اساس آزمایشات انجام شده، حداکثر بازده ممکن برای یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت زمانی حاصل می شود که حتی الامکان دمای آب ورودی کلکتور به دمای هوای محیط نزدیک باشد. هم چنین عوامل تاثیر گذار بر بازده یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت، از جمله فاصله بین رایزرها، نوع پوشش شیشه ای کلکتور، ضخامت عایق حرارتی، جنس عایق، نوع سیال انتقال حرارت و... مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته و با توجه به مقایسه های انجام شده می توان نمودار های مفیدی پیرامون بازده کلکتور بر اساس پارامتر های تاثیرگذار رسم نمود. این نمودار ها علاوه بر استفاده در صنعت ساخت تجهیزات خورشیدی، می تواند به عنوان راهنما جهت تست سایر کلکتور های مشابه مورد استفاده قرار گیرد.

آب گرم کن های خورشیدی و بررسی استانداردهای مربوطه

امروزه بشر با دو بحران اساسی مواجه است که بیش از آن چه که بنظر می رسد با یکدیگر مرتبط هستند. از یک سو شهرهای بزرگ و صنعتی با مشکل آلودگی محیط زیست روبرو هستند و از یک سو منابع فسیلی و ذخایر آن به سرعت در حال اتمام است.

خورشید می تواند بعنوان یکی از منابع بی پایان انرژی، جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشد. اما نکته قابل توجه این است که از نور خورشید نمی توان به طور مستقیم استفاده نمود. در نتیجه نیازمند تجهیزات و دستگاه هایی هستیم که بتوان به کمک آن ها انرژی تابشی خورشید را به انرژی های قابل استفاده از قبیل مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و غیره تبدیل نمود.

از کاربردهای انرژی خورشیدی می توان به مواردی چون گرمایش و سرمایش خورشیدی، نیروگاه های خورشیدی، آب شیرین کن خورشیدی، استخرهای خورشیدی، خوراک پزهای خورشیدی، سیستم های فتوولتائیک، آب گرم کن های خورشیدی، باتری های خورشیدی و غیره اشاره نمود.

بر اساس تحقیقات بعمل آمده در ایران، با استفاده از آب گرم کن های خورشیدی خانگی می توان مصرف سالیانه نفت سفید را برای هر خانوار به میزان 740 لیتر کاهش داد. هم چنین در مقایسه با سیستم های برقی موجود، به ازای هر خانوار 13 برابر خطر تخریب لایه ازن کاهش می یابد. طبق این آمار یک مخرن 200 لیتری آب گرم کن خورشیدی یک تن Co2 در سال از هوا کسر می کند.

آب گرم کن های خورشیدی سیستم های سازگار با محیط زیست هستند که در روزهای آفتابی، انرژی خورشید تابیده شده به سطح کلکتور را جذب کرده و از این طریق آب گرم مصرفی خانگی را تامین می کند و در روزهای ابری می توان از طریق هیتر برقی کمکی، آب گرم مصرفی مورد نیاز را تامین نمود.

استفاده از آب گرم کن های خورشیدی در ساختمآن ها ی مسکونی به دلیل رایگان بودن انرژی خورشید، هزینه های آب گرم را تا حدود 60٪ در سال کاهش می دهد که این مبلغ در کل مدت عمر سیستم خورشیدی معادل میلیون ها ریال خواهد بود.

فهرست مطالب پایان نامه

چکیده

مقدمه

فصل اول : کلیات

مقدمه

تاریخچه

کاربردهای انرژی خورشیدی

فصل دوم : انواع کلکتور خورشیدی و بررسی استانداردهای مربوطه

مقدمه

کلکتورهای صفحه تخت

صفحه جاذب

صفحات پوششی یا جداری

محفظه کلکتور

کلکتور لوله خلاء

کلکتور سهموی

زاویه شیب کلکتور خورشیدی

مقایسه استاندارهای تست کلکتورهای تخت خورشیدی 9806-1ISO، EN 12975-2 و ASHRAE 93

استاندارد ASHRAE 93

تست ثابت زمانی- τ

تست بازده حرارتی -gη

تست اصلاح کننده زاویه تابش - Kθb(θ)

توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی

مدت زمان انجام تست

استاندارد ISO 9806-1 و EN 12975-2

تست ثابت زمانی- τ

تست بازده حرارتی -gη

تست اصلاح کننده زاویه تابش - Kθb(θ)

توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی

روش تست شبه دینامیکی استاندارد EN12975-2

مقایسه استاندارد ها

فصل سوم : آب گرم کن های خورشیدی و بررسی استاندارد های مربوطه

مقدمه

اجزای آب گرم کن خورشیدی

شرح دستگاه آب گرم کن خورشیدی

انواع آب گرم کن های خورشیدی

سیستم گردش اجباری

سیستم گردش اجباری- مدار بسته

سیستم گردش اجباری- مدار باز

سیستم با گردش طبیعی

سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار باز

سیستم گردش طبیعی- ترموسیفون- مدار بسته

بررسی و مقایسه استانداردهای آب گرم کن خورشیدی

استاندارد ISO 9459

استانداردهای راندمان ( عملکرد ) سیستم

روش آزمون بر اساس تست در فضای داخلی

آزمون در فضای خارج برای سیستم های فقط خورشیدی

آزمون در فضای خارجی برای سیستم های آب گرم کن خورشیدی با گرم کن کمکی با یک مخزن ذخیره

استانداردهای اروپایی برای سیستم های گرمایش خورشیدی

استانداردهای اروپایی جدید

روش های تست برای سیستم های آب گرم کن های خورشیدی ( EN 12976-2و ENV 12977-2)

استاندارد ASHRAE 95

مقایسه استاندارد های تست آب گرم کن خورشیدی

مقایسه سه استاندارد9459-2 ISO ، ISO 9459-3و ASHRAE 95

فصل چهارم : معادلات حاکم بر تعیین عملکرد کلکتور های صفحه تخت و حل نمونه عددی

مقدمه

تابش خورشیدی

تشعشع جذب شده و عبور تشعشع از میان پوشش شیشه ای

انعکاس تشعشع

جذب پوشش شیشه ای

حاصل ضرب ضریب های عبور جذب ( )

کلکتورهای صفحه تخت و معادلات مربوطه

انرژی مفید

توزیع دما در کلکتورهای صفحه تخت خورشیدی

ضریب انتقال گرمای کل یک کلکتور

توزیع دما بین لوله ها و ضریب بازدهی کلکتور

لوله در زیر صفحه جاذب

لوله در بالای صفحه جاذب

لوله در وسط صفحه جاذب

ضریب دفع گرمای کلکتور و ضریب جریان

تست کلکتور

بازده

حل عددی

مشخصات تجهیزات مورد استفاده

مشخصات فنی کلکتور صفحه تخت

حل معادلات برای یک حالت نمونه

فصل پنجم : آزمایش، نتایج و ترسیم نمودارهای مربوطه

مقدمه

روش انجام آزمایش

نتایج

نمودار ها و تحلیل

نمودارهای داده های هواشناسی

تغییرات دمای خروجی از کلکتور بر حسب تغییرات دبی

بررسی انرژی دریافتی مدل تئوری و تجربی

بررسی بازده کلکتور در مدل های تئوری و تجربی

نمودار های افت دما در مسیر آب ورودی

بررسی اثر پارامترهای مختلف

تاثیر موقعیت قرارگیری لوله و صفحه جاذب

تاثیر زاویه کلکتور خورشیدی

تاثیر تعداد شیشه های محافظ کلکتور

تاثیر فاصله بین رایزرهای صفحه جاذب بر بازده کلکتور

تاثیر پوشش صفحه جاذب بر بازده کلکتور

تاثیر ضخامت عایق حرارتی بر بازده کلکتور

تاثیر جنس عایق بر بازده کلکتور

تاثیر نوع سیال انتقال حرارت بر بازده کلکتور

تاثیر فشار گاز داخل کلکتور بر بازده

نتیجه گیری

پیشنهادات برای ادامه طرح

منابع و ماخذ

چکیده انگلیسی

فهرست جدول ها